автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Совершенствование и исследование государственного первичного эталона единицы длины

005535422

На правах рукописи

ЧЕКИРДА КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕРВИЧНОГО ЭТАЛОНА ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения по видам измерений (механические

величины)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

Санкт-Петербург 2013

005535422

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И. Менделеева» Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, заслуженный метролог РФ Александров Валерий Сергеевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Марусина Мария Яковлевна., заведующая кафедрой Измерительных технологий и компьютерной томографии. Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики;

Доктор технических наук, профессор Павлов Петр Алексеевич, профессор кафедры лазерных измерительных и навигационных систем. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им В. И. Ульянова (Ленина)

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (г. Москва).

Защита состоится « года в 11 часов на заседании

диссертационного совета Д 308.004.01 при ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., Д. 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»

Автореферат разослан « октября 2013 года.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 19.

Ученый секретарь диссертационного о кандидат технических наук, доцент

Г.П. Телитченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Постоянный и повсеместный рост требований к точности измерений, наблюдаемый во всем мире, затрагивает и область механических измерений, в частности, геометрические измерения. В последние десятилетия стала бурно развиваться область линейных измерений, связанная с лазерами и приборами на их основе. Появились такие современные высокоточные средства измерений, как тахеометры, лазерные сканеры, высокоточные промышленные лазерные интерферометры, обладающие уникальными характеристиками, для метрологического обеспечения которых требуется расширение диапазона передачи единицы как в область «средних» длин так, и в область субмикронных длин и наноразмеров. В настоящее время в Российской Федерации эксплуатируется один военный эталон, более десяти вторичных эталонов, а эталонов 1 разряда более 10000. Кроме того, в Центрах Стандартизации и Метрологии (ЦСМ) и ведущих промышленных предприятиях эксплуатируются лазерные сканеры типа TOPKON, прецизионные лазерные интерферометры перемещений типа Renishaw, HP, Zigo, калибровка (поверка) которых требует от эталона единицы длины повышения точности и расширения диапазона измерений.

Вопросами повышения точности воспроизведения и передачи единицы длины занимались такие видные ученые, как: Чеботаев В.П., Коронкевич В.П., Витушкин Л.Ф., Захаренко Ю.Г., Федорин BJL, Болонин A.A., Лейбенгардт Г.И., Шур В.Л. и др.

Задача совершенствования Государственного первичного эталона (ГПЭ) единицы длины с целью повышения точности воспроизведения и передачи единицы определяются требованиями различных отраслей промышленности, науки и техники.

Кроме того, для Государственного эталона единицы длины (ГЭТ 2-85), утвержденного в 1985 году, неисключенная систематическая погрешность воспроизведения составляет 110"9, при СКО 210"11, что не удовлетворяет требованиям к точности измерений и решаемым измерительным задачам в

з

настоящее время. С появлением генераторов оптических гармоник (COMB генераторов) появилась возможность более точного определения точностных характеристик эталона единицы длины.

Цели работы.

Целью работы является совершенствование государственного эталона единицы длины, комплексный анализ источников составляющих погрешности аппаратуры воспроизведения единицы длины, исследование наиболее существенных источников погрешности с целью создания методов и измерительных установок, позволяющих повысить точность воспроизведения и передачи единицы длины. Были сформулированы следующие задачи:

- Обзор и анализ методов и средств измерений длины. Рассмотрение метрологических характеристик Государственного первичного эталона единицы длины — метра (далее ГЭТ 2-85).

- Обзор измерительных возможностей ведущих зарубежных метрологических центров в области измерений длины.

- Выбор основных направлений совершенствования государственного первичного эталона единицы длины.

- Исследование составляющих погрешности воспроизведения единицы длины и комплексный анализ погрешностей передачи единицы длины с помощью новых и усовершенствованных установок, включенных в состав эталона длины (далее ГЭТ 2-2010).

- Подтверждение на основе результатов международных сличений метрологических характеристик ГЭТ 2-2010.

- Анализ возможностей применения ядерных переходов, с целью создания сверхстабильных источников лазерного излучения и дальнейшего совершенствования ГЭТ 2-2010.

Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней:

- исследованы физические явления, определяющие погрешность воспроизведения единицы длины государственным эталоном;

- усовершенствован и исследован государственный эталон единицы длины ГЭТ 2-2010 с улучшенными метрологическими характеристиками и функциональными возможностями;

- проведены международные сличения усовершенствованного ГЭТ 2-2010, подтверждающие его метрологические характеристики;

- разработана и утверждена новая поверочная схема для средств измерений длины ГОСТ 8.763-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне от 1-Ю"9 до 50 м и длин волн в диапазоне от 0,2 до 50 мкм».

- определены пути дальнейшего совершенствования ГЭТ 2-2010.

Практическая ценность работы.

Основной практической ценностью данной диссертационной работы является определение основных составляющих погрешности воспроизведения единицы длины, что позволило уменьшить суммарную погрешность воспроизведения на 2 порядка. Также определены основные пути улучшения метрологических характеристик и функциональных возможностей государственного первичного эталона единицы длины, получено экспериментальное подтверждение этого улучшения.

На основе результатов, полученных в диссертационной работе также:

- определены факторы, влияющие на погрешности воспроизведения единицы длины, и пути их компенсации;

- разработан и создан эталонный источник лазерного излучения, проведены международные сличения, усовершенствованы оптические элементы и узлы, а также аппаратно-программные средства государственного первичного эталона длины, что привело к повышению точности и стабильности воспроизведения и передачи единицы длины вторичным эталонам, эталонам 1-го разряда и современным высокоточным рабочим средствам измерений длины;

- усовершенствован и исследован эталон единицы длины, обеспечивающий расширение диапазона воспроизведения и передачи единицы длины в область малых длин до 10"9 и в область средних длин до 30 м;

- приведены бюджеты неопределенностей измерений при воспроизведении и передаче единицы длины;

- проведен рад международных сличений с использованием установок из состава ГЭТ 2-2010;

- разработана методика калибровки «Лазеры частотно стабилизированные» в соответствии со стандартом Системы менеджмента качества ВНИИМ СК 02-31-09;

- разработана и утверждена новая поверочная схема для средств измерений длины ГОСТ 8.763-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне от 1-10 "9 до 50 м и длин волн в диапазоне от ОД до 50 мкм»

- определены пути дальнейшего совершенствования ГЭТ 2-2010. Результаты работы внедрены в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- технические решения, реализованные при совершенствовании Государственного первичного эталона единицы длины, которые обеспечили возможность уменьшение составляющих суммарных погрешностей воспроизведения и передачи единицы длины, а также позволили расширить диапазон измерений;

- результаты исследований составляющих погрешности воспроизведения и передачи единицы длины ГЭТ 2-2010;

- результаты международных сличений;

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и отдельные её результаты докладывались и обсуждались на:

- X Международном научно-техническом семинаре «Разработка, производство, применение и метрологическое обеспечение средств измерений давления и вакуума», г. Санкт-Петербург, 2006 г.;

- научно-практической конференции, посвященной 30-летию базовой кафедры метрологии СЗТУ при ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», г. Санкт-Петербург, 2010 г.;

- научно-технической комиссии Росстандарта, г. Москва, 2010 г.;

- ХЬУ Международной конференции по ядерной физике, г. Закопань (Польша), 2011г.;

- Ученом совете ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»;

- семинарах лаборатории 2511 и научно-исследовательского отдела 251 ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

Публикации, структура и объем работы. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 50 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 128 страниц, включая 28 рисунков, 17 таблиц.

В диссертационной работе изложены и обобщены результаты работы, выполненной в период с 2006 по 2012 гг.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, формулируются цели, научная и практическая значимость исследования.

Первая глава посвящена обзору методов и средств измерений длины,

потребностей современных науки и техники, дано краткое описание эталона

длины ГЭТ 2-85, созданного в 1985 году. Кроме того, используя опыт создания

национальных эталонов единицы длины ведущих метрологических институтов

мира, обоснован выбор основных составных частей государственного

первичного эталона единицы длины для обеспечения соответствия

потребностям современной науки и промышленности в настоящее время и

ближайшем будущем. На основании анализа потребностей отечественной

7

промышленности и современного развития науки и техники, а также анализа зарубежного опыта по созданию национальных эталонов единицы длины были определены основные пути совершенствования эталона длины:

- разработка и совершенствование высокостабильных эталонных источников лазерного излучения в соответствие с современным уровнем и требованиями Международного Комитета по Мерам и Весам;

- модернизация метрового интерференционного компаратора в части замены изношенных, морально устаревших и не удовлетворяющих современным требованиям элементов и узлов, а также автоматизация процесса управления и измерения в соответствии с современным развитием информационных технологий и вычислительной техники;

- расширение диапазона измерений от 10"9 до 30 м за счет включения в состав эталона новых установок, реализующих современные достижения науки и техники и обеспечивающих высокий научно-технический уровень, сравнимый с лучшими зарубежными аналогами.

Во второй главе проведен анализ составляющих погрешности воспроизведения единицы длины. Рассмотрены физические принципы стабилизации частоты (длины волны в вакууме) лазерного излучения.

Эффекты, влияющие на стабильность и воспроизводимость частоты лазера, можно разделить на два класса:

- эффекты, приводящие к непостоянству центра сверхтонкой компоненты линии поглощения на шкале частот, обусловленные причинами физического характера.

- эффекты технического характера, приводящие к смещению частоты генерации стабилизированного лазера относительно центра выбранной компоненты сверхтонкой структуры.

К эффектам, принципиально ограничивающим воспроизводимость вершин (центра) линий сверхтонкой структуры йода, относятся:

- эффекты Доплера первого и второго порядков;

- пролетное уширение компонент сверхтонкой структуры;

- эффект отдачи, влияние соседних линий сверхтонкой структуры;

- кривизна волнового фронта лазерного пучка в зоне взаимодействия с парами вещества;

- асимметрия линий сверхтонкой структуры.

Все перечисленные эффекты вносят ограничения на точность воспроизведения частоты и определяют особые требования к конструкции лазеров для уменьшения их влияний.

На основе анализа факторов, влияющих на воспроизводимость и стабильность частоты лазерного излучения, были сформированы требования к конструкции элементов стабилизированного лазера для ГЭТ 2-2010:

- резонатор из материала с компенсированным или малым температурным коэффициентом линейного расширения;

- стабилизированный источник питания;

- использование малошумящих газоразрядных трубок;

- минимизация количества оптических деталей;

- использование высококачественной зеркальной оптики;

- максимально возможная изоляция лазера от механических и акустических возмущений.

Для безусловного соответствия современным требованиям по точности воспроизведения единицы длины с учетом вышеперечисленных факторов был усовершенствован Не-Ые/[2 лазер. Блок-схема данного лазера приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Блок-схема эталонного источника излучения — стабилизированного Не-Ые/Ь лазера из состава ГЭТ 2-2010

Основой резонатора стабилизированного Не-КеЯг лазера ВНИИМ являются четыре инварных стержня. Концы стержней с двух сторон соединяются с концевыми пластинами, снабженными юстировочными узлами для настройки резонатора. На котировочных узлах закреплены пьезокерамические цилиндры с диэлектрическими зеркалами. В резонаторе применена малошумящая усилительная трубка длиной 210 мм. Длина поглощающей ячейки составляет 100 мм, отросток ячейки помещается в термохолодильнике, обеспечивающем температуру отростка (15±0,05)°С. Резонатор размещается в алюминиевом кожухе, предохраняющем полость резонатора от потоков воздуха в помещении и частично снижающем акустические влияния.

Система автоподстройки частоты (далее АПЧ) включает в себя: малошумящий высоковольтный источник для питания усилительной трубки; блок питания системы АПЧ и терморезистора; генератор разностной частоты/0-З/о; фазовый детектор 3/0; усилитель постоянного тока; интегратор; генератор развертки; систему индикации йодных пиков.

Основные технические характеристики лазера из состава эталона приведены в таблице 1.

Таблица 1 Основные параметры стабилизированного Не-Ые/Ь лазера

ВНИИМ

Наименование характеристики и единицы измерений Значение

Выходная мощность лазерного излучения, мкВт 100

Температура отростка йодной ячейки, °С 15

Температура стенки йодной ячейки, °С 25

Длина йодной ячейки, мм 100

Длина резонатора, мм 330

Радиус зеркала Ш (со стороны Не-Ые трубки), мм 1000

Радиус зеркала Я2 (со стороны ячейки), мм 1500

Пропускание зеркал Ш и 112, % 1,1

Частота модуляции, кГц 10

Девиация оптической частоты, МГц 6

Были проведены исследования значений сдвигов частоты излучения лазера от рабочих параметров. Полученные значения приведены в таблице 2.

Таблица 2 Измеренные значения сдвигов частоты стабилизированного Не-

Ие/Ь лазера ВНИИМ. зависящие от рабочих параметров лазера

Рабочий параметр лазера Коэффициент чувствительности Погрешность Размерность

Девиация оптической частоты -10,4 0,3 кГц/МГц

Давление паров 12 -9,3 0,2 кГц/Па

Выходная мощность -0,02 0,007 кГц/мкВт

Температура стенок ячейки 0,2 0,2 кГцЛС

На основании анализа экспериментальных данных исследования стабилизированного лазера из состава ГЭТ 2-2010 с учетом влияющих величин были определены составляющие систематической погрешности воспроизведения единицы длины эталоном.

В таблице 3 представлены составляющие систематической погрещности воспроизведения единицы длины.

Таблица 3 Составляющие систематической погрешности воспроизведения

единицы длины

Составляющие погрешности Значение погрешности, кГц Значение погрешности относительно несушей частоты, относительные единицы

Погрешность определения давления паров йода (температуры отростка ячейки) 0,04 8,4 1014

Погрешность определения частоты модуляции 0,52 1,11012

Погрешность определения мощности излучения 0,43 9,1 1013

Погрешность определения температуры стенки йодной ячейки 0,06 1,3 10'3

Нестабильность (расстройка) частоты из-за несовершенства системы АПЧ 0,30 6,ЗЮ13

Суммарная погрешность при К=1,4 1,04 2,2'10"12

Третья глава содержит результаты исследований и внедрения новых установок для передачи единицы длины в диапазоне от 10"9 до 30 м.

В состав эталона единицы длины нового поколения ГЭТ 2-2010 вошли следующие установки:

- источник эталонного излучения - Не-№/12 лазер, стабилизированный по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде-127, № 02;

- установки для измерений разности частот и длин волн источников лазерного излучения, № 02У;

- компаратор лазерный интерференционный для измерения длины в субмикронном и нанодиапазоне, №01-2010;

- интерферометр гетеродинный, № 02-2009;

- компаратор универсальный интерференционный метровый, № 01-2009;

- компаратор лазерный интерференционный тридцатиметровый, №01-2008.

На рис. 2 представлена общая схема ГЭТ 2-2010.

Рисунок 2. Общая схема Государственного первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-2010

В составе ГЭТ 2-2010, кроме источника эталонного излучения -стабилизированного Не-Ые/Ь лазера, применяются установки на основе лазерных интерферометров перемещений (за исключением гетеродинного интерферометра). Все установки из состава ГЭТ 2-2010 построены по двухлучевой схеме (интерферометр Майкельсона). Определение погрешности измерений интерферометров и предъявляемые к конструкции технические требования имеют много общего для каждой из установок.

Случайная погрешность интерферометра определяется следующими факторами:

- флуктуации интенсивности и частоты источника излучения сгп(/), <хп(у);

- шумы фотоприемника а„(а);

- флуктуации от турбулентной воздушной среды и вибраций <тп(Л, Ф);

- дрейф коэффициента передачи оптико-электронной схемы системы регистрации ал(р);

- флуктуации параметров модуляции сгп(Г);

- изменения уровня сигнала вследствие угловой расходимости и флуктуаций оси диаграммы направленности пучка лазера <тп(/?);.

Основные источники систематической погрешности:

- погрешность значения (воспроизведения и измерения) длины волны лазера в вакууме <т5(Я);

- определения абсолютного значения показателя преломления воздуха

- нелинейность системы регистрации о\,(/>);

- дефекты и аберрации оптических элементов интерферометра <г8(Л);

- искривление волнового фронта и дифракция гауссова пучка на ограничивающих диафрагмах о"5(Ф).

Обобщенные результаты исследований приведены в таблице 4.

Таблица 4 Обобщенные результаты исследований

Диапазон Значение погрешности

Неисключенная систематическая погрешность воспроизведения единицы длины 0,633 мкм 2,2-10"12

Случайная составляющая погрешности воспроизведения единицы длины 0,633 мкм 5,6-10"'2 при 100 независимых измерениях

Стандартная неопределенность по типу А по типу В суммарная неопределенность расширенная неопределенность 0,633 мкм 5,6-10"12 при 100 независимых измерениях 1,5-10"12 5,8-Ю"12 1,16-Ю11

СКО передачи единицы длины концевым мерам (КМ) и штриховым мерам (ШМ) компаратором универсальным метровым (0 -1) м 0,03 мкм

СКО передачи единицы длины компаратором в субмикронном и нанодиапазоне (10"9- 10-4)м 0,1 нм

СКО передачи единицы длины компаратором тридцатиметровым (1 - 30) м 5 мкм

В четвертой главе описываются результаты международных сличений ГЭТ 2-2010, подтверждающие установленные для эталона метрологические характеристики, а также пути дальнейшего совершенствования эталона для обеспечения прогнозируемых требований к эталону со стороны науки и промышленности.

Стабилизированный лазер из состава эталона единицы длины принял участие в ряде ключевых сличений, проводимых под руководством ССЬ (консультативный комитет по длине), наиболее важными из которых следует считать сличения частот стабилизированных лазеров В1РМ.Ь-К11. Особенностью данных сличений является то, что проводились абсолютные измерения частот лазеров относительно Цезиевого стандарта частоты при помощи СОМВ-генератора.

Измерения и определение воспроизводимости и стабильности частоты лазера ВНИИМ проводились в лаборатории длины МБМВ в течении нескольких дней. Перед измерениями автором работы совместно с ведущими научными сотрудниками ВНИИМ были определены составляющие неопределенности воспроизведения частоты излучения лазера из состава ГЭТ 2-2010. Результатами измерений стали: абсолютное значение частоты лазерного излучения лазера ВНИИМ стабилизированного по пику Г линии 11(127) йода и значения стабильности частоты при различных временах усреднения.

Абсолютное значение частоты пика f лазера ВНИИМ из состава ГЭТ 22010 составило:

у(0= 473 612 353 603,6 кГц,

со стандартной неопределенностью 0,8 кГц.

Стабильность среднеквадратичной соотношением:

частоты излучения лазера была оценена вариацией (вариация Аллана), определяемой

где , у2,1 - значения частоты биений двух независимо стабилизированных лазеров в последовательно равные интервалы времени; т - время усреднения счетчика; М- число пар выборок.

Для лазера ВНИИМ значения стабильности частоты излучения составили : для т=1 с 2,6 кГц, для т=10 с 0,7 кГц. В таблице 5 и на рисунке 4 приведены результаты измерения стабильности частоты лазера ВНИИМ.

Таблица 5. .Результаты измерения стабильности частоты лазера ВНИИМ

1(5) Яе1. АПап с!еу. 11е1. ипсей. АНап <1еу. №) ШсеЛ. (Нг)

1.1 5.66Е-12 3.25Е-13 2679.4 153.9

2.1 4.75Е-12 3.86Е-13 2248.5 183.0

5.3 3.24Е-12 4.22Е-13 1534.6 199.8

10.7 1.73Е-12 3.21Е-13 818.6 152.0

21.3 1.11Е-12 2.97Е-13 526.1 140.6

53.3 4.10Е-13 1.83Е-13 194.0 86.8

106.5 3.66Е-13 2.59Е-13 173.2 122.4

Рисунок 3. График вариации Аллана от времени усреднения На рисунке 4 приведены результаты сличений лазеров относительно стандарта частоты МБМВ.

BIPM.L-K11 and APMP.L-K11 {633 nm): d/, = f - Fa and corresponding uncertainty u!c f > ■ 473 612 353 000 kHz

{{

tr

II

II

:i> imended vnltKi dfR - 504 kHz {full tine) and corresponding standard uncertainty (iR - 10 kHz (dash lines)

ids: BIPM I.-K11. U*-:! sm А Щ '.I Kit

5 & s i

5 S 3

a ?, s

standard i

Рисунок 4. Результаты сличений лазеров относительно стандарта частоты МБМВ

Результаты сличений стабилизированного лазера из состава ГЭТ 2-2010 свидетельствуют о полном его соответствии требованиям Международного

Комитета по Мерам и Весам по точности воспроизведения единицы длины -метр, а также о высоком научно-техническом уровне примененных решений при разработке и исследовании лазера из состава эталона. Установки для передачи единицы длины также принимали участие в ключевых сличениях, проводимых как под эгидой МБМВ, так и под эгидой региональных метрологических организаций.

Наиболее значимыми можно считать сличения, проведенные в рамках EUROMET.L-K7 и СООМЕТ L.S-1 Project № 277/UA/03.

На рисунке 5 представлены результаты сличений в рамках EUROMET.L-K7. Мерой сравнения в сличениях являлась специальная штриховая мера, изготовленная компанией HEIDENHAIN (DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH, Германия).

Deviations from the reference value at nominal length 100 mm

Рисунок 5. Результаты сличений в рамках EUROMET.L-K7

На рисунке б представлены результаты сличений в рамках СООМЕТ L.S-1 Project № 277/UA/03. Мерой сравнения в сличениях являлась штриховая мера, изготовленная из инвара.

4 DO

зоо 200 100 О -100 -200 -300 -400 -500 -600 -тоо -800 -900 -1000 -1 юо -1200

КагзЬЬЫам Unreine

100 200

300 *00

$00 600

800 S00 1000 11

Figure в: Interval 100-1000 мм

Рисунок 6. Результаты сличений в рамках СООМЕТ L.S-1 Project № 277/UA/03 В этой же главе рассмотрен вопрос о перспективных направлениях совершенствования эталона единицы длины. Единица длины связана с единицей частоты через скорость света, которая является константой в вакууме. Поэтому определения этих единиц взаимосвязаны, с повышением точности воспроизведения частоты должна увеличиваться точность и для длины. Для этого необходимо, чтобы электромагнитные колебания, длина волны которых используется для воспроизведения длины, имели высокую стабильность частоты и эта частота была измерена относительно эталона частоты. В настоящее время для измерений длины широко используются лазерные интерферометры. Для лазерной интерферометрии служат стабилизированные лазеры, частота которых измеряется на эталоне частоты с использованием COMB - генератора, который позволяет связать частоты радиодиапазона (эталон частоты работает сегодня в этом диапазоне) с оптическими частотами стабилизированных лазеров. В настоящее время та точность, которую имеют эталоны, уже недостаточна для решения ряда фундаментальных физических задач и прикладных научно-технических задач тоже. К таким задачам можно отнести измерение очень малых перемещений, регистрацию гравитационных

смещений и гравитационных волн. Кроме того, следует сказать о проверке общей теории относительности, уточнении физических констант, а современные теории, которые пытаются объединить гравитацию с другими фундаментальными силами, могут приводить к выводам о пространственных и временных вариациях фундаментальных констант. Имеется в виду постоянная тонкой структуры и отношение масс протона/электрона. Следует отметить, что все эталоны частоты, в том числе и оптические лазеры, используют в качестве реперов атомные и молекулярные переходы. Частота излучения (поглощения) для этих переходов сильно зависит от температуры, зависит от примесей, плотности вещества поглотителя и многих других факторов, поэтому не приходится ожидать значительного повышения точности воспроизведения указанных эталонов. Совершенно иные перспективы открывают ядерные изомерные переходы, так как любые влияния на ядра как минимум на пять порядков меньше. В последние годы обнаружены переходы в ядрах с оптической частотой, которые могут быть использованы для создания эталонов на уровне двадцатых знаков по точности и воспроизводимости. Очевидно, что этот резерв в ближайшие годы будет исследован и использован в метрологии. В нобелевской лекции Дж. Холла высказано предположение о возможности продления диапазона работы СОМВ-генератора до десятков килоэлектронвольт, это предположение, при его реализации, может открывать широкие перспективы при изучении частот переходов низкоэнергетических уровней, а также стабилизации частоты лазеров по этим реперам.

Для работы по исследованию возможностей создания реперов частоты с использованием ядерных изомерных переходов необходимо приобрести СОМВ-генератор, создать и исследовать перестраиваемые в широком частотном диапазоне стабилизированные лазеры. СОМВ-генератор и перестраиваемые лазеры позволят обеспечить проведение фундаментальных исследований физических констант, а также создать сверхточные интерферометры для измерения длин, избавившись от перемещающихся

измерительных плеч за счет широкой перестройки по частоте (длине волны в вакууме) лазеров.

Основные результаты

По итогам комплекса теоретических и экспериментальных исследований на аппаратуре Государственного первичного эталона единицы длины были получены следующие основные результаты:

проведен анализ потребностей науки и промышленности в метрологическом обеспечении высокоточных средств измерения длины. На основании проведенного анализа и обзора состава эталонов длины ведущих национальных метрологических институтов мира обоснован состав Государственного первичного эталона единицы длины ГЭТ 2-2010,

- проведен анализ составляющих погрешности воспроизведения единицы длины Государственного первичного эталона ГЭТ 2-2010. Рассмотрены физические принципы стабилизации частоты (длины волны в вакууме) лазерного излучения. На основе анализа факторов, влияющих на воспроизводимость и стабильность частоты лазерного излучения были сформированы требования к конструкции элементов стабилизированного лазера для ГЭТ 2-2010. Доработан, исследован и включен в состав эталона ГЭТ 2-2010 источник эталонного излучения — Не-Ые/12 лазер, стабилизированный по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде -127, №2,

- исследованы и включены в состав эталона интерференционные компараторы: компаратор лазерный интерференционный для измерения длины в субмикронном и нанодиапазоне, № 01-2010, интерферометр гетеродинный, № 02-2009, компаратор универсальный интерференционный метровый, № 012009, кроме того включен в состав компаратор лазерный интерференционный тридцатиметровый, № 01-2008. Данные компараторы позволили существенно расширить диапазон передачи размера единицы длины Государственным первичным эталоном единицы длины.

Разработанные измерительные установки и полученные результаты исследований позволили повысить в два раза точность воспроизведения и передачи единицы длины Государственным первичным эталоном ГЭТ 2-2010.

Решение поставленной в работе задачи по улучшению метрологических характеристик Государственного первичного эталона единицы длины имеет существенное значение для повышения прецизионности измерения длин в науке и промышленности.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

- Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Федорин B.JI., Чекирда К.В. Эталонный He-Ne/Ь лазер для ГПЭ единицы длины - метра // Тез. докл. X Международного научно-технического семинара «Разработка, производство, применение и метрологическое обеспечение средств измерений давления и вакуума». - СПб. // Репрография ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». - 2006. - С. 41-43.

- Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Мельников H.A., Федорин B.JL, Чекирда К.В. Современное состояние воспроизведения единицы длины метра // Приборы. - 2007. -№ 8 (86). - С. 53-55.

- Александров B.C., Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Мельников H.A., Пастернак A.A., Федорин B.JL, Харитонов И.А., Чекирда К.В. О возможности использования низкоэнергетических ядерных переходов в качестве реперов для стабилизации частоты лазеров // Измерительная техника. - 2007. - №12. - С. 3-8.

- Aleksandrov V.S., Zakharenko Yu.G., Kononova N.A., Mel'nikov N.A., Fedorin V.L., Kharitonov I.A., Chekirda K.V., Pasternak A.A. Possibility of using low-energy nuclear transitions as benchmarks for frequency stabilization // Measurement Techniques. - 2007. - V.50. - № 12. - P. 1231-1233.

- Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Федорин B.JI., Чекирда K.B. Высокоточные измерения геометрических величин на Государственном первичном эталоне единицы длины // Тез. докл. Всероссийской научно-

технической конференции «Механометрика-2008». — г. Суздаль. — 2008. — С. 40-41.

- Александров B.C., Захаренко Ю.Г., Кононова Н.А., Мельников Н.А., Пастернак А.А., Федорин B.JL, Чекирда К.В. Использование ядерных переходов в качестве эталонов, в том числе для стабилизации частоты лазеров // «Актуальные вопросы метрологии», сборник материалов научно-практической конференции, посвященной 30-летию базовой кафедры метрологии СЗТУ при ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». - СПб. - 2010. - С. 16-22.

- Александров B.C., Захаренко Ю.Г., Кононова Н.А., Федорин В.Л., Чекирда К.В. Стабилизированный лазер Государственного эталона длины - метра // «Актуальные вопросы метрологии», сборник материалов научно-практической конференции, посвященной 30-летию базовой кафедры метрологии СЗТУ при ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». -СПб.-2010.-С. 23-27.

- Aleksandrov V.S., Chekirda K.V., Fedorin V.L., Melnikov N.A., Pasternak A. A., Zakharenko Yu.G. Nuclear transitions and new standards of length and time // XLV Zakopane conference on nuclear physics. Extremes of the nuclear landscape // Acta Physica Polonica, Series B. - 2011. - V.42. - № 3-4. - P. 853-858.

- Александров B.C., Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Лейбенгардт Г.И., Федорин В.Л., Чекирда К.В. Государственный первичный эталон единицы длины - метра ГЭТ 2-2010 // Измерительная техника. - 2012. -№ 6. - С. 3-7.

Подписано в печать « 08 » октября 2013 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1458

Типография «Восстания -1» 191036, Санкт-Петербург, Восстания, 1.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИИ ИМЕНИ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА»

На правах рукописи

04201363208

Чекирда Константин Владимирович

Совершенствование и исследование государственного первичного

эталона единицы длины

Специальность: »

05.11.01 - Приборы и методы измерения (измерения механических величин)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.ф.-м.н. Александров Валерий Сергеевич

Санкт-Петербург 2013 г.

Оглавление ,

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛИНЫ

......................................................................................................................................10

1.1 Метрологические характеристики Государственного первичного эталона

единицы длины - метра ГЭТ 2-85............................................................................10

1.2 Потребности науки и промышленности в высокоточных измерениях длины 12

1.3 Анализ измерительных возможностей ведущих метрологических центров мира в области измерений длины.............................................................14

1.4 Выбор основных направлений совершенствования Государственного

первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-85.........................................20

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОГРЕШНОСТИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМ ГОСУДАРСТВЕННЫМ ПЕРВИЧНЫМ ЭТАЛОНОМ ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ - МЕТРА ГЭТ 2-2010...................................22

2.1 Физические принципы стабилизации частоты лазерного излучения......22

2.2 Физические явления, ограничивающие воспроизводимость частоты лазера 39

2.3 Описание эталонного источника излучения стабилизированного Не-Не/12 лазера из состава ГЭТ 2-2010..........................................................................43

2.4 Анализ составляющих погрешности воспроизведения длины Государственным первичным эталоном единицы длины — метра ГЭТ 2-201046 ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ЭТАЛОНА ДЛИНЫ И ВНЕДРЕНИЕ В

ЕГО СОСТАВ НОВЫХ УСТАНОВОК...................................................................53

3.1 Состав усовершенствованного Государственного первичного эталона единицы длины — метра ГЭТ 2-2010. Основные принципы и технические решения, реализованные при разработке новых установок..................................53

3.1.1 Установки для измерений разности частот и длин волн источников лазерного излучения..................................................................................................55

3.1.2 Компаратор лазерный интерференционный для измерения длины в

субмикронном и нанодиапазоне...............................................................................57

3.1.3 Гетеродинный интерферометр.....................................................................59

3.1.4 Универсальный интерференционный метровый компаратор...................60

3.1.5 Тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор..............63

3.2 Анализ погрешностей лазерных интерферометров...................................63

3.3 Результаты исследований основных метрологических характеристик установок....................................................................................................................76

3.4 Выводы к главе 3............................................................................................85

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МЕЖДУНАРОДНЫХ СЛИЧЕНИЙ В ОБЛАСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛИНЫ. ПОДТВЕРЖДЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКЭТАЛОНА ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ. ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭТАЛОНА...................................86

4.1 Подтверждение метрологических характеристик эталона единицы длины. Результаты сличений....................................................................................86

4.2 Перспективы дальнейшего совершенствования государственного

первичного эталона длины.......................................................................................92

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................................101

Приложение 2...............................................................................................117

Приложение 3...............................................................................................118

Приложение 4...............................................................................................128

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Временем рождения метра следует считать 1792-1793 годы, когда физик, математик и астроном Пьер-Симон Лаплас возглавил работы по измерению длины четвертой доли части Парижского меридиана. Одна десятимиллионная часть этого меридиана и была принята за длину в один метр.

После подписания 20 мая 1875 года Метрической конвенции Россия получила два платиноиридиевых эталона. Можно считать, что с этого момента ведутся работы по исследованию и совершенствованию эталона длины - метра. С развитием физики совершенствовалось и определение метра. Кардинально на этот процесс повлияли результаты исследований, проведенных Томасом Юнгом, открывшим явление интерференции света, и Альбертом Майкельсоном, который экспериментально доказал, что точность воспроизведения длины интерференционным методом может быть выше, чем с использованием материальных мер длины. За свои работы Майкельсон в 1907 года получил Нобелевскую премию.

Потребовалось немало времени, прежде чем Консультативный Комитет по Мерам и Весам Международного бюро мер и весов (далее МБМВ) принял определение метра, и с 1960 года метр стал определяться через длину волны в вакууме оранжевой линии криптона. Это определение просуществовало до 1983 года, когда Консультативный Комитет принял новое, действующее сегодня, определение метра. Оно гласит, что «Метр есть длина пути, проходимая светом (плоской электромагнитной волной) в вакууме за интервал времени, равный 1/299792458 секунды» [1].

Консультативный Комитет по Мерам и Весам разработал рекомендации по практическому применению нового определения, суть которого заключается в том, что стандартом длины (с соответствующей погрешностью) может являться любое излучение, частота которого известна.

Также Комитет разработал Перечень рекомендованных излучений для практических применений в метрологии длины, физических исследованиях и

т.п. [2]. Перечень включает в себя более десятка типов квантовых генераторов в сантиметровом, инфракрасном и видимом диапазонах излучения, а также ряд спектральных ламп, традиционно используемых в интерферометрии. Перечень этот постоянно уточняется и расширяется.

Для практической интерферометрии наиболее подходящими являются источники излучения видимого диапазона, поскольку подавляющее число интерферометров работают именно в видимом диапазоне спектра.

Во ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева» в отделе геометрических измерений постоянно ведутся работы по исследованию и совершенствованию лазерных источников эталонного излучения [3,4].

Реализация единицы длины - метра осуществляется интерференционным методом в соответствии с рекомендацией Генеральной конференции по мерам и весам. При этом длина измеряется через количество длин волн (целую и дробную часть) с учетом влияющих факторов.

В последние десятилетия стала бурно развиваться область линейных измерений, связанная с лазерами и приборами на их основе. Появились такие современные высокоточные средства измерений как тахеометры, лазерные сканеры, например производства «TOPCON CORPORATION», промышленные лазерные интерферометры перемещений, например фирмы «Renishaw pic» или компании «Hewlett Packard». Кроме того, в настоящее время в Российской Федерации в центрах стандартизации и метрологии, а также на ведущих промышленных предприятиях эксплуатируется более десяти вторичных эталонов и более тысячи эталонных средств измерений 1 -го разряда. Поверка и калибровка данных средств измерений требует от Государственного первичного эталона единицы длины — метра повышения точности воспроизведения и расширения диапазона передачи единицы.

Особо можно отметить, что единица длины входит во многие производные единицы физических величин, например Па (Паскаль), H (Ньютон) и т.д. При реализации многих производных физических величин требуется передача

единицы от эталона единицы длины с высокой точностью. Цели работы

Целью работы является разработка и исследование новых методов и средств повышения точности государственного эталона единицы длины, комплексный анализ источников составляющих погрешности аппаратуры воспроизведения единицы длины, исследование наиболее существенных источников погрешности с целью создания методов и измерительных установок, позволяющих повысить точность воспроизведения и передачи единицы длины. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

Задачи исследования

1. Обзор и анализ методов и средств измерений длины. Рассмотрение метрологических характеристик Государственного первичного эталона единицы длины — метра (далее ГЭТ 2-85).

2. Обзор измерительных возможностей ведущих зарубежных метрологических центров в области измерений длины.

3. Исследование составляющих погрешности воспроизведения единицы длины и комплексный анализ погрешностей передачи единицы длины с помощью новых и усовершенствованных установок, вошедших в состав Государственного первичного эталона единицы длины — метра (далее ГЭТ 2-2010).

4. Подтверждение на основе результатов международных сличений метрологических характеристик ГЭТ 2-2010.

5. Анализ возможностей применения ядерных переходов, с целью создания сверхстабильных источников лазерного излучения и дальнейшего совершенствования ГЭТ 2-2010.

Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней: - исследованы физические явления, определяющие погрешность воспроизведения единицы длины государственным эталоном;

- разработан и исследован государственный эталон единицы длины ГЭТ 2-2010 с улучшенными метрологическими характеристиками и функциональными возможностями;

- проведены международные сличения усовершенствованного ГЭТ 2-2010, подтверждающие его метрологические характеристики;

- Разработана и утверждена новая поверочная схема для средств измерений длины ГОСТ 8.763-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне от 1 • 10"9 до 50 м и длин волн в диапазоне от 0,2 до 50 мкм».

- определены пути дальнейшего совершенствования ГЭТ 2-2010.

Практическая ценность работы

Основной практической ценностью данной диссертационной работы является определение основных составляющих погрешности воспроизведения единицы длины, что позволило уменьшить суммарную погрешность воспроизведения на 2 порядка. Также определены основные пути улучшения метрологических характеристик и функциональных возможностей государственного первичного эталона единицы длины, получено экспериментальное подтверждение этого улучшения.

Также на основе результатов, полученных в диссертационной работе:

- определены факторы, влияющие на погрешности воспроизведения единицы длины, и пути их компенсации;

- разработан и создан эталонный источник лазерного излучения, проведены международные сличения, усовершенствованы оптические элементы и узлы, а также аппаратно-программные средства государственного первичного эталона длины, что привело к повышению точности и стабильности воспроизведения и передачи единицы длины вторичным эталонам, средствам измерений 1-го разряда и современным высокоточным средствам измерений длины;

- усовершенствован и исследован эталон единицы длины, обеспечивающий

расширение диапазона воспроизведения и передачи единицы длины в область малых длин до 10~9 м и в область средних длин до 30 м;

- приведены бюджеты неопределенностей измерений при воспроизведении и передаче единицы длины;

- проведен ряд международных сличений с использованием установок из состава ГЭТ 2-2010;

- разработана методика калибровки «Лазеры частотно стабилизированные. Методика калибровки» в соответствии с СК 02-31-09;

- разработана и утверждена новая поверочная схема для средств измерений длины ГОСТ 8.763-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне от 1-10 9 до 50 м и длин волн в диапазоне от 0,2 до 50 мкм»

- определены пути дальнейшего совершенствования ГЭТ 2-2010.

Результаты работы внедрены в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

технические решения, реализованные при совершенствовании Государственного первичного эталона единицы длины, которые обеспечили возможность уменьшение составляющих суммарных погрешностей воспроизведения и передачи единицы длины, а также позволили расширить диапазон измерений;

- результаты исследований составляющих погрешности воспроизведения и передачи единицы длины ГЭТ 2-2010;

- результаты международных сличений;

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и отдельные её результаты докладывались и обсуждались на:

X Международном научно-техническом семинаре «Разработка, производство, применение и метрологическое обеспечение средств измерений давления и вакуума», г. Санкт-Петербург, 2006 г.;

научно-практической конференции, посвященной 30-летию базовой кафедры метрологии СЗТУ при ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», г. Санкт-Петербург, 2010 г.;

- научно-техническом комитете Росстандарта, г. Москва, 2010 г.;

- ХЬУ Международной конференции по ядерной физике, г. Закопань (Польша), 2011 г.;

- Ученом совете ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»;

- семинарах лаборатории 2511 и научно-исследовательского отдела 251 ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

Публикации, структура и объем работы

По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ, в том числе 4 - в журналах, рекомендованных ВАК. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 50 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 128 страниц, включая 28 рисунков, 17 таблиц.

В диссертационной работе изложены и обобщены результаты работы, выполненной в период с 2006 по 2012 гг.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

ДЛИНЫ

1.1 Метрологические характеристики Государственного первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-85

В 1985 г. во ВНИИМ был создан и утвержден Государственный первичный эталон единицы длины — метра ГЭТ 2-85. Он состоял из комплекса следующих средств измерений:

- источники эталонного излучения — Не-№/12 лазеры №01 и №02, стабилизированные по линии поглощения в молекулярном йоде 127;

- установка для измерения отношений длин волн источников излучения, № 1;

интерференционный компаратор с лазерным интерференционным рефрактометром № 03 (далее интерференционный компаратор).

В состав интерференционного компаратора (рисунок 1) входили: лазерный интерферометр для измерения длины штриховых и плоскопараллельных концевых мер длины; фотоэлектрический микроскоп для фиксации штриха штриховой меры; интерферометр с нулевой разностью хода для фиксации измерительных поверхностей плоскопараллельной концевой меры; интерференционный рефрактометр.

Лазерный интерферометр был построен по схеме интерферометра Майкельсона с применением уголковых отражателей и обеспечивал:

- измерения длины штриховых мер длиной до 1 м;

- измерения длины плоскопараллельных концевых мер длиной до 1 м;

- сличения штриховых мер с плоскопараллельными концевыми мерами.

Измерение штриховых мер проводилось лазерным интерферометром

методом счета числа интерференционных полос при фиксации центра штрихов меры фотоэлектрическим микроскопом.

Интерференционный компаратор был установлен в специальной термокамере

размером 4,0x2,5x3,0 м с двойными теплопроводящими стенками. Температура воздуха внутри термокамеры в месте расположения измеряемой меры поддерживалась в пределах (20±0,05)°С. Градиент температуры при измерении меры длиной 1 м не превышал 0,005 °С, изменение температуры внутри термокамеры составляло не более 0,003 °С. Термокамера была размещена на фундаменте в помещении, в котором при помощи активной системы стабилизации поддерживалась температура воздуха (20±0,1)°С. Все тепловыделяющие элементы, источники излучения были установлены на пульте управления, расположенном за пределами термокамеры. Световые лучи вводились в интерференционный компаратор через специальные окна.

1, 3, 4, 6 — фотоприемные устройства; 2, 7 — источники света; 5 — источник когерентного излучения; 8 — источник белого света; 9, 13, 26 — коллимирующая система; 10 — светоделитель; 11 — зеркало; 12, 24, 27, 28 — плоские зеркала; 14 — уголковый отражатель; 15, 23 — призмы Дове; 16 — фотоэлектрический микроскоп; 17 — камера рефрактометра; 18 — штриховая мера; 19 — подвижная каретка; 20 — вакуумированная кювета; 21 — плоскопараллельная концевая мера;

22 — отражатель; 25 — двугранное зеркало

Рисунок 1 - Схема интерференционного компаратора с лазерным интерференционным рефрактометром

Метрологические характеристики ГЭТ 2-85 приведены ниже.

Диапазон измерений длины (5-10"9 - 1) м.

Длина волны, воспроизводимая эталонным источником излучения Не-№/12 лазером 0,63299139822 мкм.

Суммарная относительная погрешность воспроизведения единицы длины 2,5-Ю"11.

Установка для измерения отношений длин волн обеспечивала передачу единицы длины источниками эталонных излучений в диапазон�